推进半导体技术发展的五大趋势

过去几十年，全球半导体行业增长主要受台式机、笔记本电脑和无线通信产品等尖端电子设备的需求，以及基于云计算兴起的推动。这些增长将继续为高性能计算市场领域开发新应用程序。

首先，5G将让数据量呈指数级增长。我们需要越来越多的服务器来处理和存储这些数据。2020年Yole报告，这些服务器核心的高端CPU和GPU的复合年增长率有望达到29%。它们将支持大量的数据中心应用，比如超级计算和高性能计算服务。在云 游戏 和人工智能等新兴应用的推动下，GPU预计将实现更快增长。例如，2020年3月，互联网流量增长了近50%，法兰克福的商业互联网数据交换创下了数据吞吐量超过每秒91兆兆位的新世界纪录。

第二个主要驱动因素是移动SoC——智能手机芯片。这个细分市场增长虽然没有那么快, 但这些SoC在尺寸受限的芯片领域对更多功能的需求，将推动进一步技术创新。

除了逻辑、内存和3D互联的传统维度扩展之外，这些新兴应用程序将需要利用跨领域的创新。这需要在器件、块和SoC级别进行新模块、新材料和架构的改变，以实现在系统级别的效益。我们将这些创新归纳为半导体技术的五大发展趋势。

趋势一:摩尔定律还有用，将为半导体技术续命8到10年…

在接下来的8到10年里，CMOS晶体管的密度缩放将大致遵循摩尔定律。这将主要通过EUV模式和引入新器件架构来实现逻辑标准单元缩放。

在7nm技术节点上引入了极紫外(EUV)光刻，可在单个曝光步骤中对一些最关键的芯片结构进行了设计。在5nm技术节点之外(即关键线后端(BEOL)金属节距低于28-30nm时)，多模式EUV光刻将不可避免地增加了晶圆成本。最终，我们希望高数值孔径(High-NA) EUV光刻技术能够用于行业1nm节点的最关键层上。这种技术将推动这些层中的一些多图案化回到单图案化，从而提供成本、产量和周期时间的优势。

Imec对随机缺陷的研究对EUV光刻技术的发展具有重要意义。随机打印故障是指随机的、非重复的、孤立的缺陷，如微桥、局部断线、触点丢失或合并。改善随机缺陷可使用低剂量照射，从而提高吞吐量和成本。

为了加速高NA EUV的引入，我们正在安装Attolab，它可以在高NA EUV工具面世之前测试一些关键的高NA EUV材料(如掩膜吸收层和电阻)。目前Attolab已经成功地完成了第一阶段安装，预计在未来几个月将出现高NA EUV曝光。

除了EUV光刻技术的进步之外，如果没有前沿线端(FEOL)设备架构的创新，摩尔定律就无法延续。如今，FinFET是主流晶体管架构，最先进的节点在6T标准单元中有2个鳍。然而，将鳍片长度缩小到5T标准单元会导致鳍片数量减少，标准单元中每个设备只有一个鳍片，导致设备的单位面积性能急剧下降。这里，垂直堆叠纳米薄片晶体管被认为是下一代设备，可以更有效地利用设备占用空间。另一个关键的除垢助推器是埋地动力轨(BPR)。埋在芯片的FEOL而不是BEOL，这些BPR将释放互连资源路由。

将纳米片缩放到2nm一代将受到n-to-p空间约束的限制。Imec设想将Forksheet作为下一代设备。通过用电介质墙定义n- p空间，轨道高度可以进一步缩放。与传统的HVH设计相反，另一个有助于提高路由效率的标准单元架构发展是针对金属线路的垂直-水平-垂直(VHV)设计。最终通过互补场效应晶体管(CFET)将标准cell缩小到4T，之后充分利用cell层面上的第三维度，互补场效应晶体管通过将n-场效应晶体管与p-场效应晶体管折叠。

趋势2: 在固定功率下，逻辑性能的提高会慢下来

有了上述的创新，我们期望晶体管密度能遵循摩尔所规划的路径。但是在固定电源下，节点到节点的性能改进——被称Dennard缩放比例定律，Dennard缩放比例定律（Dennard scaling）表明，随着晶体管变得越来越小，它们的功率密度保持不变，因此功率的使用与面积成比例；电压和电流的规模与长度成比例。

世界各地的研究人员都在寻找方法来弥补这种减速，并进一步提高芯片性能。上述埋地电力轨道预计将提供一个性能提高在系统水平由于改进的电力分配。此外，imec还着眼于在纳米片和叉片装置中加入应力，以及提高中线的接触电阻(MOL)。

二维材料如二硫化钨(WS2)在通道中有望提高性能，因为它们比Si或SiGe具有更强的栅长伸缩能力。其中基于2d的设备架构包括多个堆叠的薄片非常有前景，每个薄片被一个栅极堆叠包围并从侧面接触。模拟表明，这些器件在1nm节点或更大节点上比纳米片的性能更好。为了进一步改善这些器件的驱动电流，我们着重改善通道生长质量，在这些新材料中加入掺杂剂和提高接触电阻。我们试图通过将物理特性(如生长质量)与电气特性相关联来加快这些设备的学习周期。

除了FEOL, 走线拥挤和BEOL RC延迟，这些已经成为性能改善的重要瓶颈。为了提高通径电阻，我们正在研究使用Ru或Mo的混合金属化。我们预计半镶嵌(semi-damascene)金属化模块可同时改善紧密距金属层的电阻和电容。半镶嵌(semi-damascene) 可通过直接模式和使用气隙作为介电在线路之间(控制电容增加)

允许我们增加宽高比的金属线(以降低电阻)。同时，我们筛选了各种替代导体，如二元合金，它作为‘good old’ Cu的替代品，以进一步降低线路电阻。

趋势3:3D技术使更多的异构集成成为可能

在工业领域，通过利用25D或3D连接的异构集成来构建系统。这些有助于解决内存问题，可在受形状因素限制的系统中添加功能，或提高大型芯片系统的产量。随着逻辑PPAC(性能-区域-成本)的放缓，SoC 的智能功能分区可以提供另一个缩放旋钮。一个典型的例子是高带宽内存栈(HBM)，它由堆叠的DRAM芯片组成，这些芯片通过短的interposer链路直接连接到处理器芯片，例如GPU或CPU。最典型的案例是Intel Lakefield CPU上的模对模堆叠， AMD 7nm Epyc CPU。在未来，我们希望看到更多这样的异构SOC，它是提高芯片性能的最佳桥梁。

在imec，我们通过利用我们在不同领域(如逻辑、内存、3D…)所进行的创新，在SoC级别带来了一些好处。为了将技术与系统级别性能联系起来，我们建立了一个名为S-EAT的框架(用于实现高级技术的系统基准测试)。这个框架可评估特定技术对系统级性能的影响。例如:我们能从缓存层次结构较低级别的片上内存的3D分区中获益吗如果SRAM被磁存储器(MRAM)取代，在系统级会发生什么

为了能够在缓存层次结构的这些更深层次上进行分区，我们需要一种高密度的晶片到晶片的堆叠技术。我们已经开发了700nm间距的晶圆-晶圆混合键合，相信在不久的将来，键合技术的进步将使500nm间距的键合成为可能。

通过3D集成技术实现异质集成。我们已经开发了一种基于sn的微突起互连方法，互连间距降低到7µm。这种高密度连接充分利用了透硅通孔技术的潜力，使>16x更高的三维互联密度在模具之间或模具与硅插接器之间成为可能。这样就大大降低了对HBM I/O接口的SoC区域需求(从6 mm2降至1 mm2)，并可能将HBM内存栈的互连长度缩短至多1 mm。使用混合铜键合也可以将模具直接与硅结合。我们正在开发3µm间距的模具到晶圆的混合键合，它具有高公差和放置精度。

由于SoC变得越来越异质化，一个芯片上的不同功能(逻辑、内存、I/O接口、模拟…)不需要来自单一的CMOS技术。对不同的子系统采用不同的工艺技术来优化设计成本和产量可能更有利。这种演变也可以满足更多芯片的多样化和定制化需求。

趋势4:NAND和DRAM被推到极限;非易失性存储器正在兴起

内存芯片市场预测显示，2020年内存将与2019年持平——这一变化可能部分与COVID-19减缓有关。2021年后，这个市场有望再次开始增长。新兴非易失性存储器市场预计将以>50%的复合年增长率增长，主要受嵌入式磁随机存取存储器(MRAM)和独立相变存储器(PCM)的需求推动。

NAND存储将继续递增，在未来几年内可能不会出现颠覆性架构变化。当今最先进的NAND产品具有128层存储能力。由于晶片之间的结合，可能会产生更多的层，从而使3D扩展继续下去。Imec通过开发像钌这样的低电阻字线金属，研究备用存储介质堆，提高通道电流，并确定控制压力的方法来实现这一路线图。我们还专注于用更先进的FinFET器件取代NAND外围的平面逻辑晶体管。我们正在 探索 3D FeFET与新型纤锌矿材料，作为3D NAND替代高端存储应用。作为传统3D NAND的替代品，我们正在评估新型存储器的可行性。

对于DRAM，单元缩放速度减慢，EUV光刻可能需要改进图案。三星最近宣布EUV DRAM产品将用于10nm (1a)级。除了 探索 EUV光刻用于关键DRAM结构的模式，imec还为真正的3D DRAM解决方案提供了构建模块。

在嵌入式内存领域，我通过大量的努力来理解并最终拆除所谓的内存墙，CPU从DRAM或基于SRAM的缓存中访问数据的速度有多快如何确保多个CPU核心访问共享缓存时的缓存一致性限制速度的瓶颈是什么 我们正在研究各种各样的磁随机存取存储器(MRAM)，包括自旋转移转矩(STT)-MRAM，自旋轨道转矩(SOT)-MRAM和电压控制磁各向异性(VCMA)-MRAM)，以潜在地取代一些传统的基于SRAM的L1、L2和L3缓存(图4)。每一种MRAM存储器都有其自身的优点和挑战，并可能通过提高速度、功耗和/或内存密度来帮助我们克服内存瓶颈。为了进一步提高密度，我们还在积极研究可与磁隧道结相结合的选择器，这些是MRAM的核心。

趋势5:边缘人工智能芯片行业崛起

边缘 AI预计在未来五年内将实现100%的增长。与基于云的人工智能不同，推理功能是嵌入在位于网络边缘的物联网端点(如手机和智能扬声器)上的。物联网设备与一个相对靠近边缘服务器进行无线通信。该服务器决定将哪些数据发送到云服务器(通常是时间敏感性较低的任务所需的数据，如重新培训)，以及在边缘服务器上处理哪些数据。

与基于云的AI(数据需要从端点到云服务器来回移动)相比，边缘 AI更容易解决隐私问题。它还提供了响应速度和减少云服务器工作负载的优点。想象一下，一辆需要基于人工智能做出决定的自动 汽车 。由于需要非常迅速地做出决策，系统不能等待数据传输到服务器并返回。考虑到通常由电池供电的物联网设备施加的功率限制，这些物联网设备中的推理引擎也需要非常节能。

今天，商业上可用的边缘 AI芯片，加上快速GPU或ASIC，可达到1-100 Tops/W运算效率。对于物联网的实现，将需要更高的效率。Imec的目标是证明推理效率在10000个Tops /W。

通过研究模拟内存计算架构，我们正在开发一种不同的方法。这种方法打破了传统的冯·诺伊曼计算模式，基于从内存发送数据到CPU(或GPU)进行计算。使用模拟内存计算，节省了来回移动数据的大量能量。2019年，我们演示了基于SRAM的模拟内存计算单元(内置22nm FD-SOI技术)，实现了1000Tops/W的效率。为了进一步提高到10000Tops/W，我们正在研究非易失性存储器，如SOT-MRAM, FeFET和基于IGZO（铟镓锌氧化物）的存储器。

除了在电子消费市场狂飙突进，展锐5G技术 探索 和应用，于物联网（IoT）生态构建层面，布局更广、速度更快且相对前者的现状而言，竞争力更强。

9月16日，展锐和11家物联网模组和方案商签署5G合作协议。这显示出这家目前国内除了海思（Hisilicon）之外唯一拥有消费级（5G移动SoC）和工业级（物联网）芯片设计能力的芯片商，正在加快物联网应用生态的搭建速度。

从展锐对自身商业定位“数字世界的生态承载者”角度观察，不难发现，在5G时代，展锐更侧重底层数字通信技术的生态聚合对物联网的支撑能力。

整体上，展锐的商业定位由三大底座技术支撑：马卡鲁通信技术平台， AIactiver技术平台和先进半导体技术平台。
展锐正在两个方向——消费级5G SoC移动及基带以及工业级物联网芯片设计——与高通、联发科、海思和苹果等芯片商展开正面“竞合”。

展锐消费级5G SoC移动芯片设计水平和市场主流旗舰级顶尖竞品的差距，已从10年缩短至1年。在各类消费级终端出货量上，展锐的同比增幅因基数较低而显得璀璨夺目。展锐4G移动芯片也开始为荣耀和realme等主流智能手机商大规模采用。

除此之外，展锐在4G/5G技术的主场——物联网，斩获同样颇为耀眼。

根据市场研究公司Counterpoint近日发布的第二季度全球蜂窝物联网市场跟踪报告，展锐在物联网领域依然延续高速增长：2021年第二季度，展锐是全球前五大蜂窝物联网芯片厂商中唯一一家同比增速超过100%的玩家。

在NB-IoT、Cat1和5G等物联网全场景各个领域，展锐在高速推进，并于中国、欧洲、印度、中东和非洲和拉美等区域，蜂窝物联网芯片出货量均位列当地芯片供应商前三。

展锐高级副总裁、工业电子BU总经理黄宇宁说，“工业电子BU自2019年成立以来，顺应了工业与 社会 数字化转型中对连接和计算的刚需，整体业绩连年翻番。”

展锐CEO楚庆认为，5G技术专为“万物互联”而生。即使是智能手机，也是物联网的一部分，有别于工业物联网，智能手机终端属于C端消费级场景。

自2019年进入“5G”元年至今，物物连接的规模快速扩容。

据黄宇宁预计，2023-2024年，支持5G R17技术规范的RedCap（低容量：Reduced Capacity）特性设备将得以普及，这将进一步提供超高密度的连接容量，真正实现将“每一块石头都连上网”。

5G万物互联网络的价值和连接数量的关系是什么？

根据梅特卡夫定律（Metcalfe's law）：网络的价值与联网数量的平方成正比。有别于一般的资源，分享使用的人越多，每个人得到的资源就越少。依靠连接构建的网络则恰恰相反，使用的人越多，网络的价值越大。

黄宇宁说，“可以想象，拥有30亿-50亿甚至 500亿个连接的网络价值能有多大？！”

超量的IoT连接，叠加“端边云”的智能计算，数字世界和物理世界的边界将被打破，数字化红利也将从消费领域扩展到 社会 的各个基础行业，包括5G在内的全场景通信技术，将完成从个人到工业体系再到整个 社会 的智能化升级。

当前，IoT蜂窝通信网络呈现出四代技术并存的局面。

2G/3G正在加速向4G/5G转网，4G阶段出现为物联网场景做“预热”的通信标准，如NB-IoT低功耗广域物联网和Cat1中速广域物联网等，这些标准的特性是“人联网”。

5G通信技术，是为物联网而生的首个通信制式，除了“人联网”，还实现了“物连物”。

在5G三大场景中，eMBB（Enhanced Mobile Broadband）最先实现商用，侧重追求极致大宽带移动通信体验；uRLLC（ultra-Reliable and Low Latency Communications）提供极低时延和高可靠性，是5G面向行业连接应用的关键手段；mMTC（massive Machine Type of Communication），即海量机器类通信，专为构建万物互联而生。
基于展锐在全场景通信技术领域长期的技术沉淀，展锐能为多样化的连接（尤其是工业级IoT）提供技术支撑：从十米到十万公里距离的连接，展锐有较为完整的商用连接技术和产品体系。

比如5G R15 eMBB场景，展锐研发了业内首款同时支持载波聚合、上下行解耦和超级上行等技术的5G调制解调器。

R15 eMBB实现了5G基本功能，保证5G“能用”：但是，虽然R15的网络传输速度在目前应用最广泛，但该版本只解决了传输数据的问题，做不到终端精度控制，这需要R16加以解决。

R16标准完善了uRLLC和mMTC特性，让5G从“能用”进化到“好用”，加速5G在工业、 汽车 、能源、医疗和公用事业等行业领域的规模应用，使5G成为推动经济 社会 数字化转型的重要抓手。

7月30日，展锐和中国联通完成全球首个基于3GPP R16标准的5G eMBB+uRLLC+IIoT（增强移动宽带+超高可靠超低时延通信+工业物联网）端到端的业务验证。

9月16日，展锐与联通数科联合官宣基于唐古拉V516（5G）平台，在5G物联网领域开展战略合作，共同面向5G工业互联网重大机遇，推进5G R16技术发展和商用加速向纵深落地。

展锐5G R16 Ready的关键特性，主要功能是实现了5G更好地支持垂直行业应用，为工业装备、钢铁制造、交通港口、矿产能源、医疗 健康 等领域带来数字智能技术变革。

除了5G，在中低速物联网技术应用场景，展锐也有所布局，如在公网对讲机领域，展锐份额接近80%，云喇叭市占率为70%，OTT（Over The Top）领域Wifi份额有60%，市占率第一，在快递车充电换电领域，展锐产品份额占比近60%。

与业内通行做法一样，展锐在构筑4G/5G物联网技术和应用体系时，也采取了与上下游合作伙伴联合的方式。

这种联合，就技术层面看，分为两层：一是在最新5G通信技术版本方面于中国联通单独合作；二则是基于成熟的5G通信技术版本，与更广泛的生态合作伙伴建立战略关系。

比如9月16日，除了官宣和中国联通在新一代5G通信版本R16方面的深度合作，展锐还与包括鼎桥通信、广和通、海信通信、通则康威、讯锐通信、移远通信和有方 科技 等11家物联网模组和方案解决商，基于唐古拉V510（5G）平台做了战略联合发布。

展锐唐古拉V510是已成熟商用的5G基带芯片平台，支持5G网络切片等多项5G前沿技术，可广泛适配全球移动通信运营商的网络，能满足5G发展阶段中的不同的通信和组网需求。
为物联网提供通信技术、算力和芯片，探究展锐的商业目标，不难发现，展锐希望围绕芯片应用平台构筑产业生态，通过提供算力和通信技术能力，改造产业链，进而拓展全新业务空间。

华尔街见闻了解到，展锐的产业目标是成为“全场景物联芯片解决方案技术服务商”，其商业定位确立为“数字世界的生态承载者”。

此项定位由三大底座技术支撑：马卡鲁通信技术平台， AIactiver技术平台和先进半导体技术平台。

据展锐高级副总裁夏晓菲解释，马卡鲁技术平台将调制解调器（Modem）、射频（RF）收发器及射频天线模块集成为统一的5G解决方案，在支持3GPP协议演进的同时，能针对5G典型高价值特性，开发网络驱动单元，以提供一栈式解决方案包。

马卡鲁技术平台的能力，主要集中在为港口、钢铁、矿区和制造等垂直行业客户，包括智能机、智能穿戴和AR/VR等消费应用，提供低时延、高精度和安全可靠的连接体验。

5G行业应用将分阶段实现商业化落地，这已是业界共识。夏晓菲说，“马卡鲁通信平台能在不同阶段支撑产业变革。”

华尔街见闻了解到，展锐马卡鲁通信技术平台的技术设计路径分三个阶段：2019年为5G元年，eMBB技术得以落地，5G FWA（Fixed Wireless Access：固定无线访问）/CPE（Customer Premise Equipment：信号转换器）和5G视频监控为典型的大带宽应用得到初步应用。

其次，5G To B应用逐步实现规模复制，同时更深入垂直行业。机器视觉、工业网关、AGV（Automated Guided Vehicle：自动导引车）小车及无人机等典型行业应用具备适应性高、通用性强等特点，有机会率先实现千万级规模复制。

以5G R16新版通信技术标准为代表，将有效满足智能电网/制造/交通/医疗等行业的差异化需求。此阶段具有更高性能、更广连接和更安全可靠的特性。

马卡鲁通信技术平台具备R16的技术能力，故而能推动5G技术真正进入生产核心环节，从而为工业40提供技术保障。

技术的演进永无止境。

虽然R16最先落地的三种能力——超低时延、超高可靠和更低能耗进一步夯实工业40的技术基础，R16的其他技术能力还没完全落地，但展锐已在参与推进R17版的技术标准制定。

华尔街见闻获悉，5G终端向末端节点渗透，需要更精简的终端解决方案。在3GPP R17讨论轻量版5G时，展锐认为合理的带宽范围是20MHz，这个主张已成功被标准采纳。

通过对工业I/O节点的带宽、时延、性能需求分析，展锐在天线数、MIMO（Multi Input Multi Output：无线扩容和增频技术）层数、BWP带宽等方面做了精确的精简，从而实现更高的灵活性。

同时，通过增强的非连续接收特性（eDRX：Discontinuous Reception），采用更长的休眠模式，让特定的物联网终端得到更高的续航能力。

通过这些关键技术，马卡鲁平台将彻底实现从网关到I/O节点的全场景覆盖，而这也是 AIactiver技术平台的能力，能实现5G技术对生产全流程的改造。

值得一提的是，今年2月展锐成为荣耀芯片套片供应商。

什么是套片？

单独的芯片无法在终端硬件体系中发挥作用，必须做成套片形式。这就涉及了展锐第三大技术底座——先进半导体技术平台。

这个技术平台的支柱是工艺制程和封装，展锐提供整体套片方案。

简单来说，套片包括SoC、射频和电源芯片（PMIC）等。根据芯片集成度、功耗和数模混合架构的不同需求做各类芯片组成，最终通过封装技术做成集成度更高、无线性能更优的解决方案。

华尔街见闻了解到，展锐正在持续投入SiP（System in Package：系统封装）技术。其成果是通过SiP技术，将LTE Cat1整个方案的尺寸，做到了一元硬币大小。

动能：以动作为基础的充能，这个已经算是使用得比较久的方式，这些芯片主要用于比如手表的充电，或是与一些移动中的设备绑定在一起。
热能：这一类的芯片一般都是从温差当中收集能量，所以比较适合一些贴近人体的设备。
光能：这就好像一块很小的太阳能板，所有的太阳能板都面临一个挑战，那就是如何在在有阳光时最大化地收集能量，而不用在意太阳能板的面积有多大。
磁能：很多公司都在尝试如何从无线电波中收集能量，但几十年都没有成功。

乐鑫是一家专门从事物联网芯片和模块研发的公司。它的产品包括ESP8266、ESP32等芯片和模块。在使用这些芯片和模块时，有时需要将程序烧录到芯片中，而程序往往是以bin格式的文件存在的。那么，乐鑫如何看懂bin文件呢？
首先，bin文件是一种二进制文件格式，它不像文本文件那样可以直接打开查看。因此，乐鑫需要借助一些工具来解析bin文件。常用的工具包括hexdump、xxd等。这些工具可以将bin文件转换成可读的十六进制格式，其中每两个十六进制数对应一个字节。
其次，对于乐鑫的芯片和模块而言，它们的程序往往是使用C语言编写的。因此，乐鑫需要将十六进制格式的bin文件转换成C语言代码，以便进行修改和调试。这可以通过使用bin2c等工具来实现。
最后，乐鑫还需要了解bin文件的结构和内容。一般来说，bin文件包括代码段、数据段、BSS段等。代码段存放程序的指令，数据段存放程序中的全局变量和静态变量，BSS段存放程序中未初始化的全局变量和静态变量。
综上所述，乐鑫需要借助工具来解析和转换bin文件，并了解bin文件的结构和内容，才能看懂bin文件。

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